在当今基于微处理器的系统中，电气、机械和热环境的管理越来越重要。本文将重点关注精确的电压和温度监测以及满足其他硬件监测需求。我们将考虑进行精确测量的技术，并为ADM9240芯片中基于Pentium ii的系统中的各种硬件监控任务提供解决方案。

由于ic和系统的设计者试图从他们的设计中挤出最后一点性能，硬件监测和控制已经成为电路板设计目标的一个组成部分。例如，需要保持准确的电源电压水平，并持续处理高性能芯片产生的热量。控制回路的反馈部分是由硬件监控完成的——关键系统参数的连续测量，如电源电压、内部温度、冷却风扇性能和其他环境因素。通过严格控制这些参数，使其保持在严格的范围内，从而保持电路的最佳工作条件，避免减少元件寿命，从而使系统性能最大化。

最新一代基于英特尔奔腾处理器的产品清楚地表明了硬件监控的重要性。最新的Pentium II微处理器以超过450 MHz的时钟速率运行，需要复杂的，高度调节的电源电压-简单的+5或+3.3 v电源不再足够。相反，奔腾核心逻辑要求数字可调电压范围为1.3至3.5 V，分辨率为50 mv。所需的实际电压取决于许多因素。当考虑到流经印刷电路板(PCB)走线的电阻和电感的电流的动态变化性质时，控制电压到这种程度并不是一个微不足道的要求。除了处理器芯片的要求，一个典型的系统将需要至少4个其他稳压电源，+12V， -12V， +5V和+3.3V，用于其他功能，如磁盘驱动器，视频电路，PC卡等。为了保持长期的可靠性，必须对所有这些电压进行精确的监测和控制。简单的电压比较器类型的电路可用于监测固定电源;但是监测可变负载的高精度电源需要更复杂的解决方案，包括电压水平的数字转换。

除了严格控制工作电压外，当今的许多系统还依赖于热管理方法，例如主动散热、对流冷却和强制空气冷却提供的冷却，以保持可靠的运行条件。随着集成电路和系统变得越来越快、越来越复杂、越来越密集，去除多余的热量并保持安全、可靠的工作温度变得越来越重要。温度传感通常与风扇速度监测和控制相结合，是当今用于确保系统可靠性的两种技术。通过控制风扇速度，实现更高的效率，降低功耗和降低噪音水平。

通过有效的硬件监控获益的另一个重要领域是总拥有成本(TCO)。所有重要功能都被持续监控，并将结果传达给系统管理软件。在发生昂贵的损坏之前，可以检测到即将发生的故障，确定故障来源，并采取纠正措施，甚至调用系统关闭。例如，可以通过监测冷却风扇的转速来检测风扇堵塞。当速度从其标称速度下降10%至15%时，软件可以注意到问题并在恶化造成额外损坏之前关闭系统。花10美元更换风扇比更换1000美元的CPU或更昂贵的系统板更有吸引力。

多通道电压，温度和风扇速度监测，以及对这些参数的可编程限制设置，在满足监测和控制目标方面走了很长的路。我们将在下面讨论在基于奔腾的系统中实现这一点的一些具体技术。该演示将采用来自Devices的新型监控IC ADM9240来展示优化监控策略的方法。

电压监测

在一个典型的系统中，需要监控的电压通道多达6个。典型的系统电源包括以下部分或全部的组合:+12，-12，+5，+3.3，+2.7和+2.5 V。

有这么多(和不同)的电源要跟踪，一个多路数据采集系统与数字读出提供了最大的灵活性。基于A/D转换器的解决方案便于软件控制和限位设置。一旦转换为数字域，数据就很容易被动操纵、处理和存储以供历史参考。

为了准确地将信号转换为数字，必须考虑以下几个问题:由于被测量的电源通常是使用开关模式技术产生的，因此开关引入的噪声会使其电压难以准确监测。开关故障和负载相关的电压漂移可能是虚假警报的来源。因此，重要的是监测电路拒绝电源故障和偏差，但仍然足够快地检测何时电源真的超出公差。当供应确实超出容限时，报告它是很重要的，这样可以尽快处理这种情况，以避免系统性能出现错误甚至损坏。

ADM9240的输入电路(图1)起到双重作用

a.滤波输入信号
b.对输入电平进行衰减，使其与电源的参考电压成比例
车载ADC。

将衰减网络集成在片上提供了重要的优势。由于电阻不准确或不匹配而引入的任何误差已经包含在通道的规格中，因此用户不需要进一步增加系统误差预算。

ADM9240的输入范围也是偏置的，因此标称输入电压水平对应于ADC上的3 / 4满量程(图2)。这种缩放提供了从+25%过压到完全失效的范围。将大多数动态范围置于较低的一端，考虑到大多数误差情况，并且还允许更大的灵活性，因为可以监控较低电压电源(指定低于列出的标准电平)，但精度会有所降低。

监测铁芯电压

除了监控固定电源外，基于Pentium ii的系统还需要精确监控处理器核心电压VCCP。今天的Pentium ii (P2)使用5位VID(电压识别)代码(上一代产品为4位)，根据P2提供的VID代码，核心电压可以设置在1.3 V到3.5 V之间。

VID码表

前面讨论的电压监测要求也适用于VCCP电源，但公差要严格得多。用于监控的A/D转换器输入范围设置为0 V至3.6 V，满量程为2.7 V。这提供了足够的动态范围和精度，以适应其他处理器核心电压，甚至超过P2要求。

在可能采用不同处理器核心电压的双处理器系统中，ADM9240提供第二个多路输入通道(VCCP2)。

监测负电压

通过反转信号的极性，可以在正输入通道上监测到负电压。但这可能不符合成本效益-它需要一个反向运放和浪费芯片的“房地产”。还可以采用一种成本较低的方案，即使用正偏置和反向解释范围。如图3所示:电阻R2偏置至+5 V;上限和下限(以及过压(75%)和欠压(25%)范围)将被调换。由于失调电压将取决于+ 5V参考电平，因此应该使用精确的+ 5V参考电平，或者—如果使用5V电源本身—应该首先测量该输入，并相应地设置- 12v电源的限制。

温度监控

温度监测提高了可靠性，并允许接近的效率，以达到最大的性能。它也可以保护系统过热，如果冷却系统完全失败或恶化到不足的点。

硅传感器在电子系统中作为温度传感器变得越来越重要，因为它们线性、准确、廉价、可靠;并且可以与其他或数字功能集成在同一IC上。他们利用硅双极结晶体管中基极-发射极电压(V(BE))和电流密度(电流/发射极面积)之间的关系来产生与绝对温度(PTAT)成正比的电压。如果电流以固定比率r流过两个相同的晶体管(或者如果相等的电流流过一个晶体管和一组r个相同的并联晶体管)，则差分V(BE)为PTAT。图4是一个说明原理的电路。A(1)和A(2)为发射极面积，I(S)为反向饱和电流，k / q为玻尔兹曼常数与电子电荷之比，约为86µV/ k。

在ADM9240上，片上温度传感使用额外的多路复用器通道(图5)。当循环时，多路复用器依次选择输入和温度通道，并由ADC转换为数字量。

偏移、缩放和数据操作提供了一个双补输出。虽然理论温度范围从- 128°C到+127°C，但实际设备和封装限制将其限制在-40°C至+125°C。

温度传感器的位置对精确的温度测量很重要。理想情况下，它应该与被测物体有亲密的身体接触。这并不总是可能的，特别是当单个传感器只是多功能IC上的一个功能时，必须考虑其他因素。如果直接的热接触是不可能的，重要的是表征传感器的温度和期望的测量点之间的差异。这样，就可以用已知的偏移量来补偿温差。

风扇转速测量

风扇转速传感提供了潜在问题的宝贵预警信号。在一个高度可靠的电子系统中，风扇是一个薄弱的机械部件。虽然现代无刷风扇比早期的刷型可靠得多，但它们仍然容易出现机械磨损。轴承磨损和增加的摩擦减慢了风扇的转速，导致空气减少。如果对速度进行持续监测，可以在冷却不足导致严重问题之前发现预示故障的蛛丝马迹。

现代风扇可与转速表输出(通常每转两个脉冲)，以方便速度监测。转速是通过简单地计算在固定时间内的脉冲数来确定的。

虽然这是最简单的速度监控方案，但速度很慢。例如，对于转速低于1000 RPM的风扇，需要几秒钟才能积累一个相当大且准确的计数。

ADM9240采用的技术不直接计算风扇转速输出脉冲。相反，它使用tacho输出作为高频内部时钟的门控信号。通过计算门控脉冲的数量，可以确定风扇的周期。累计计数与风机的转速周期成正比，与转速成反比。

具体来说，片上22.5 khz振荡器被门控到8位计数器的输入端，用于风扇转速输出的两个周期，对应于风扇旋转一圈的时间(图6)。

为适应不同转速的风扇，可在计数器前加一个预标度(除数)。考虑以下使用ADM9240的示例。

除数为2时，风扇每转有两个输出脉冲，转速为4000转，计数为168。也就是说，在4000转时，每分钟有8000次脉冲，每秒有133.3次脉冲;因此脉冲对之间的间隔为15毫秒，计数为0.015(22,500/2)= 168+。

当风扇转速变慢时，计数增加到计数器的最大计数255，即4000 (168.75/255)= 2647 rpm。

接口风扇转速表输出到5V/3V逻辑

由于风扇通常由高于逻辑/监控电路的电压供电，因此有必要提供一个不会过度强调逻辑或正向偏置某些内部结的接口。使用电阻/齐纳二极管网络箝位电压提供了一个很好的解决方案(图7)。齐纳击穿电压应选择使其低于逻辑电源电压。对于5v逻辑，4.0 v齐纳是合适的。

控制风扇转速

如果风扇在额定电压和环境温度下移动的空气多于足够冷却所需的空气，则可以控制其速度，以减少风扇噪音和功耗，同时将温度保持在安全水平。

最简单的控制方式是对风机供电电压进行线性调节。例如，12v风扇的速度可以通过调整电源到低于12v的电压来限制。

但是，必须考虑到，如果电源电压固定在较低的值，风扇可能无法可靠地启动。通过D/ a转换器来改变速度(图8)，风扇可以以较高的速度启动，然后减速到正确的值。使用12v风扇，最低可靠工作电压可高达6或7 V，允许相当大的调整范围。

ADM9240的8位DAC可用于风扇转速控制。DAC的1.25 v输出将需要一个外部放大/升压级来驱动风扇。

通过局域网进行控制和监控

硬件监视和控制可以进一步扩展到在网络上操作，以便可以连续地监视整个计算机网络的健康状况。英特尔的局域网桌面客户端管理器(LDCM)是网络管理软件的一个例子，它可以监视和排除网络上单个工作站的故障，并为系统管理员提供潜在未来问题的早期预警。

许多网络问题都是由于没有经验的用户安装了不兼容的软件或硬件而导致的。两者都可以通过局域网远程监控。底盘入侵传感器可用于检测未经授权的系统篡改。典型的传感器包括简单的微动开关、簧片开关、霍尔效应开关甚至光学传感器。当外壳打开时，开关被拨动或光束断裂。

ADM9240包括一条输入线，该输入线可以连接到机箱入侵开关，以提醒监控系统。一般来说，开关连接到锁存电路，使用触发器或晶闸管。由于这个原因，机箱入侵锁必须由系统管理员重置。在ADM9240上，也可以将机箱入侵线临时配置为输出线，以便发送清除脉冲以清除锁存器。

图9显示了完整的ADM9240的框图。它结合了电压、温度、风扇和机箱入侵监控，为电子设备提供了更好的控制操作环境。对用户的好处是增加了稳定性、可靠性和降低了拥有成本。

图10展示了一个使用ADM9240的完整监控解决方案。本电路适用于奔腾ii型主板。所有六个电源同时监测过压或欠压条件，这将对电子设备构成威胁。高限值和低限值通过2线系统管理总线(SMBus)编程。主控制器通常是PIIX4南桥芯片，但也可以是专用微控制器。除了电压监测外，该电路还通过J2和J3监测一对冷却风扇的转速。其中一个风扇(J3)正在使用ADM9240上的DAC进行速度控制以限制噪音，而第二个风扇则以全速连续运行。线性速度控制提供了一个可靠的，低噪音的解决方案，以保持低声发射。通过连接到J1的光学、机械或磁性开关检测和锁定未经授权的系统篡改，以避免篡改。请注意，检测和锁存电路由备用电池供电，因此即使在系统拔掉电源时也能继续进行监测。当断言时，系统管理员可以使用对ADM9240的特殊命令清除锁存逻辑。

下一代

在撰写本文时，下一代硬件监控解决方案正在开发中;而且它正在变得可用。ADM1024体现了上述所有原则。此外，它还包括热二极管监测(TDM)技术。这项革命性的技术允许通过Pentium II上的二极管连接晶体管不断监测Pentium芯片本身的温度。通过开关两种不同的电流通过片上二极管并测量二极管正向电压的微小变化，可以通过类似于图4所描述的原理的多路复用带隙测量准确地确定芯片温度。

这种方案的主要优点是可以获得精确的温度测量，而不需要为近距离接触定位外部传感器。由于传感器现在正好在测量点，它可以非常精确，并且完全消除了热滞后。ADM1024包含开关电流源以及滤波和放大输入级。与ADM9240一样，板载ADC将温度测量值转换为数字信号。

除了这些时分复用通道，ADM1024还包含额外的配置寄存器，以提供更大的灵活性。输入通道可以配置为需要测量风扇速度或电压或热输入。其他通道可以配置为监视电压识别位(VID)，或者确实可以用作中断监视输入。

电压，散热，风扇速度，机箱，VID监控与额外的灵活性相结合，使ADM1024适用于广泛的下一代主板设计，无论是台式机，服务器还是工作站。